لوحات الدوائر عالية التردد

ما هي لوحة الدوائر ذات التردد العالي؟

لوحة الدوائر المطبوعة عالية التردد هي نوع من اللوحات تستخدم ركائز مخصصة ذات ثابت عازل منخفض (Dk) وفقدان عازل منخفض (Df)، مثل PTFE وسلسلة Rogers. وتتطلب تحكمًا دقيقًا في المعاوقة وتوصيلات مُحسّنة للحد من المعاملات الشاذة. وهي مصممة خصيصًا لسيناريوهات نقل الإشارات عالية التردد تتراوح بين 300 ميجا هرتز و3 جيجا هرتز. لوحات دوائر مطبوعة عالية الدقة ومتوافقة على نطاق واسع مع المعدات في مجالات مثل الاتصالات، والصناعة العسكرية، والطبية والرعاية الاستهلاكية والإلكترونيات الاستهلاكية.

خصائص اللوحات المطبوعة عالية التردد

تم تصميم خصائص دوائر الاتصالات عالية التردد حول المتطلبات الأساسية الثلاثة المتمثلة في انخفاض الفقد، والاستقرار العالي، والمقاومة للتداخل أثناء نقل الإشارات عالية التردد التي تتراوح بين 300 ميجا هرتز و3 جيجا هرتز. كل خاصية تقابلها اختيار مواد محددة، ومعايير عملية، وقيم تطبيقية. فيما يلي تقسيم مفصل:

خاصية انخفاض الفقد في الطبقة العازلة

عندما تُنقل الإشارات عالية التردد، يحدث فقد للطاقة بسبب الخصائص العازلة للطبقة الأساسية. وهذا هو الاختلاف الجوهري بين الدوائر عالية التردد واللوحات المطبوعة العادية.

المعلمات الرئيسية

· ثابت عازل منخفض (Dk): يحدد الثابت العازل سرعة نقل الإشارة. كلما كان قيمة Dk أقل، زادت سرعة نقل الإشارة وقل تأخير الإشارة. قيمة Dk في لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد ركائز ثنائي الفينيل متعدد البروم (PCB) عالية التردد تكون عادة مستقرة بين 2.2 و4.5 (ثابت عازل FR-4 الشائع حوالي 4.6 إلى 4.8)، ومن الضروري ضمان استقرار Dk تحت درجات حرارة وترددات مختلفة لتجنب تشوه الإشارة.

· ظل تلف العزل المنخفض (Df): تعكس قيمة Df مباشرةً فقدان الطاقة للإشارة في المادة الأساسية. كلما كانت قيمة Df أقل، قل الفقد. تكون قيمة Df لمادة اللوحة عالية التردد عادةً أقل من 0.002 (قيمة Df الخاصة بـ fR-4 العادي حوالي 0.02)، مما يمكن من تقليل توهين الإشارة بفعالية، وهي مناسبة بشكل خاص لنقل الإشارات على مسافات طويلة وعالية التردد.

الركيزة النموذجية

· مادة البوليتيترافلوروإيثيلين (PTFE): Dk≈2.1، Df≈0.0009، مقاومة للحرارة العالية (أكثر من 260℃)، استقرار كيميائي عالي، وهي الخيار الأول للتطبيقات ذات المتطلبات العالية مثل الصناعة العسكرية والاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

· سلسلة Rogers (مثل RO4350B): Dk≈3.48، Df≈0.0037، مع استقرار ممتاز في المعاوقة، مناسبة لمحطات قاعدة 5G ووحدات الموجات الراديوية.

· لوحة راتنجات الإيبوكسي عالية التردد: تكلفة أقل، Dk≈3.5-4.0، وتفي بالمتطلبات الأساسية لمكونات الموجات الراديوية في الإلكترونيات الاستهلاكية.

خصائص التحكم الدقيقة في المعاوقة

الإشارات عالية التردد حساسة للغاية لتغيرات المعاوقة. يمكن أن يؤدي عدم تطابق المعاوقة إلى انعكاس الإشارة، والموجات الثابتة، والتشويه، مما يؤثر مباشرة على أداء المعدات.

· معايير التحكم في المعاوقة: القيم الشائعة للمعاوقة في لوحات الدوائر عالية التردد هي 50 أوم و75 أوم. يجب التحكم في تسامح المعاوقة ضمن ±3% إلى ±5%.

· الطريقة المستخدمة: عن طريق تصميم دقيق لأربع معلمات رئيسية - عرض الخط، المسافة بين الخطوط، سماكة الركيزة، وسماكة رقائق النحاس - والتحقق منها باستخدام برنامج محاكاة كهرومغناطيسي، يتم ضمان اتساق المعاوقة. على سبيل المثال، قيمة معاوقة هيكل الخط الميكروستريب تتناسب طرديًا مع عرض الخط وعكسيًا مع سماكة الركيزة. ويجب تعديلها مرارًا وتكرارًا حتى تبلغ القيمة المستهدفة.

خصائص منخفضة المعاملات الشاذة ومقاومة التداخل

في الدوائر عالية التردد، يمكن أن تُحدث السعة والمحاثة الشاذة للأسلاك مصادر تداخل إضافية، مما يؤدي إلى تداخل الإشارات أو الإشعاع الكهرومغناطيسي (EMI). لذلك، يجب تصميم لوحات الدوائر عالية التردد وتحسينها لتقليل الآثار الشاذة.

تصميم منخفض المعاملات الشاذة

· تقصير طول الأسلاك، وتقليل التوصيلات المتعرجة، وتقليل الحث المغناطيسي الناتج عن ذلك؛

· زيادة المسافة بين خطوط الإشارة أو استخدام شرائط عزل أرضية لتقليل السعة الكهربائية الناتجة عن ذلك؛

· تُستخدم هياكل خطوط نقل خاصة مثل خطوط الميكروستريب وخطوط الشريط لتقليل الاقتران الكهرومغناطيسي بين الإشارات والعالم الخارجي.

قدرة مضادة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

· زيادة عدد طبقات التأريض لتكوين "تجويف تدريع" وحجب التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي؛

· تنفيذ درع محلي على المكونات الحساسة لتقليل إشعاع الإشارة الداخلية؛

· تحسين تخطيط مصدر الطاقة ونظام التأريض لتقليل تأثير ضجيج nguồn الطاقة على الإشارات عالية التردد.

خصائص ممتازة في التكيف مع البيئة والمتغيرات الفيزيائية

تُستخدم لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد عادةً في مجالات تتسم بمتطلبات بيئية صارمة مثل التحكم الصناعي، والرعاية الطبية، والصناعات العسكرية. لذلك، يجب أن تفي مادة القاعدة والعملية بـ متطلبات إضافية للأداء الفيزيائي

· مقاومة الحرارة العالية: يمكن لبعض المواد الأساسية أن تتحمل درجات حرارة تزيد عن 260°م، مما يستوفي متطلبات المعالجة للحام بالفرن المتحكم به حرارياً (Reflow Soldering) واللحام بالموجة (Wave Soldering)، وفي الوقت نفسه يكون مناسباً التشغيل المستمر للمعدات في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

· مقاومة الكيميائيات: يجب أن تتمتع المادة الأساسية بخصائص مقاومة للأحماض والقلويات ومقاومة للرطوبة لمنع تشقق المادة الأساسية وأكسدة رقائق النحاس في البيئات القاسية.

· الاستقرار الميكانيكي: يتميز رقائق النحاس بقوة التصاق قوية مع الركيزة، مما يجعلها أقل عرضة للالتواء أو التشوه، ويضمن موثوقية المعدات في ظروف الاهتزاز والصدمات.

خصائص الدقة العالية في التصنيع

دقة تقنية تصنيع لوحات الدوائر عالية التردد أعلى بكثير من تلك الخاصة باللوحات العادية. وتشمل متطلبات العملية الأساسية ما يلي:

· عرض الخط/المسافة الدقيقة: يمكنه تحقيق عروض خطوط ومسافات بحجم 3 ميل/3 ميل (0.076 مم/0.076 مم) أو حتى أدق، لتلبية متطلبات توصيل الدوائر عالية الكثافة وعالية التردد.

· الحفر الدقيق: يمكن أن يصل قطر الفتحة الأدنى إلى 0.1 مم، ويتم التحكم في تحمل موقع الفتحة ضمن ±0.01 مم، لتجنب التغيرات في المعاوقة الناتجة عن الانحراف في موقع الفتحة.

· المعالجة السطحية: تُعتمد عمليتا طلاء الذهب والفضة على نطاق واسع لتقليل فقد الإشارة على سطح الموصل .

المادة الأساسية

تُعد المادة الأساسية هي الأساس الذي تُبنى عليه ثنائيات الفينيل متعددة الكلور عالية التردد، وتؤثر بشكل مباشر على فقد إرسال الإشارة واستقرارها. وتتمثل الأنواع والمعايير السائدة فيما يلي:

مادة رقائق النحاس

تؤثر التأثيرات الجلدية على الإشارات عالية التردد، وبالتالي يجب اختيار رقائق النحاس مع مراعاة كفاءة التوصيل ونسبة التسطيح السطحي:

· رقائق النحاس الإلكتروليتي: تكلفة منخفضة، وخشونة سطحية معتدلة، ومناسبة لمعظم تطبيقات ثنائيات الطبقات عالية التردد;

· رقائق النحاس المدرفلة: سطح أكثر نعومة، وفقدان أقل لتأثير الجلد، مناسب لمعدات التردد اللاسلكي عالية التردد وعالية الحساسية؛

· سماكة رقعة النحاس: تُستخدم عادةً 1 أونصة (35 ميكرومتر) أو ½ أونصة (17.5 ميكرومتر). يمكن أن تقلل رقعة النحاس الرقيقة من الحث المغناطيسي الزائد وتناسب أكثر التوصيلات الكثيفة عالية التردد.

مواد المعالجة السطحية

يجب أن تهدف المعالجة السطحية للوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد إلى تقليل مقاومة التلامس، ومنع أكسدة رقاعة النحاس، وتجنب التأثير على نقل الإشارات عالية التردد

· طلاء الذهب (ENIG): سطح أملس، مقاومة قوية للتآكل، مقاومة تماس منخفضة، وتأثير ضئيل على فقد الإشارة عالية التردد، مناسبة لواجهات RF عالية الدقة.

· طلاء الفضة: يتمتع بموصلية كهربائية أفضل مقارنةً بطلاء الذهب وفقد أقل، لكنه عرضة للأكسدة ويجب دمجه مع طبقة واقية من الأكسدة. وهو مناسب للدوائر المايكروويفية عالية التردد.

· قناع اللحام العضوي (OSP): يتميز بتكلفة منخفضة وعملية بسيطة، لكن مقاومته للحرارة العالية متوسطة. وهو مناسب للوحات PCB عالية التردد في الإلكترونيات الاستهلاكية الحساسة للتكلفة.

انخفاض توهين الإشارة يضمن جودة النقل

من خلال استخدام ركائز مخصصة ذات ثابت عازل منخفض (Dk) وفقدان عازل منخفض (Df)، مثل سلسلة PTFE وRogers، يمكن تقليل فقد الطاقة للإشارات عالية التردد التي تتراوح بين 300 ميجاهرتز و3 جيجاهرتز أثناء النقل بشكل فعال ويمكن تجنب تشوه الإشارة، ويمكن تلبية متطلبات الاتصال ونقل البيانات على مسافات طويلة وبتردد عالٍ.

تحكم دقيق في المعاوقة يعزز سلامة الإشارة

من خلال تصميم دقيق لعرض الخط، والمسافة بين الخطوط، وسمك الركيزة، يتم التحكم في تحمل المعاوقة ضمن ±3٪ إلى ±5٪، لتحقيق مطابقة مستقرة للمعاوقات القياسية مثل 50 أوم/75 أوم، وتجنب انعكاس الإشارة وظواهر الموجة الثابتة، وضمان التشغيل الموثوق للدوائر عالية التردد مثل الموجات الراديوية والميكروويف.

قدرة قوية على مقاومة التداخل، مناسبة للبيئات الكهرومغناطيسية المعقدة

تُقلل البنية المُحسّنة للتوصيلات (مثل خطوط الميكروستريب وخطوط الشريط) وتصميم التأريض متعدد الطبقات من السعة والمحاثة غير المرغوب فيها، وكذلك من التداخل الإشاري والإشعاع الكهرومغناطيسي (EMI). بالاقتران مع التدريع المعدني المحلي، يمكنها مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي، وهي مناسبة للسيناريوهات التي تتطلب توافقًا كهرومغناطيسيًا عاليًا، مثل معدات التحكم الصناعية والأجهزة الطبية.

مرونة بيئية ممتازة، وتلبية لظروف التشغيل القاسية

تتميز المادة الأساسية عالية التردد المخصصة بمقاومة للحرارة العالية (أكثر من 260°م)، ومقاومة للتآكل الكيميائي والرطوبة. وبدمجها مع عملية ربط مستقرة لأوراق النحاس، يمكنها الحفاظ على أداء ثابت في البيئات القاسية مثل الاهتزاز ودورات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، مما يلبي متطلبات التشغيل طويلة الأمد للمعدات ذات المواصفات automotive-grade وmilitary-grade المعدات.

دعم التكامل العالي يسهل التصميم المصغر

يدعم معالجة عرض الخطوط والفراغات الدقيقة بمقاس 3 ميل/3 ميل وأقل، وكذلك الأقطار الصغيرة للثقوب. يمكنه تحقيق توصيلات كثيفة، مما يلبي متطلبات تصميم المنتجات المصغرة والمتكاملة عاليًا مثل وحدات الترددات اللاسلكية ومكونات محطات قاعدة 5G، وتوفير مساحة المعدات.